DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE INDICADOR DE TEMPO-TEMPERATURA A PARTIR DE PVA, PVP E ANTOCIANINAS PARA APLICAÇÕES EM EMBALAGENS INTELIGENTES K. G. WEGEMANN 1, M. S. P. DAMAS 1, V. A. PEREIRA Jr 1 e M. G. N. QUADRI 1* 1 Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Tecnológico, Departamento de Engenharia Química e de Alimentos E-mail: maraquadri@ufsc.com RESUMO Os indicadores ou integradores de tempo e temperatura (ITTs) compõem as embalagens inteligentes. São dispositivos simples, eficazes e de fácil manuseio para monitorar, gravar e indicar a influência global da temperatura sobre a qualidade do produto alimentício. O objetivo da pesquisa foi o desenvolvimento e caracterização térmica, espectroscópica e determinação do índice de intumescimento de um sensor ITT, baseado em uma blenda polimérica de Poli(álcool vinílico) (PVA) e Polivinilpirrolidona (PVP), dopada com antocianinas e reticulada com 1-etil-3-(3- dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC). Os resultados de FT-IR, TG-DSC e índice de intumescimento do ITT, indicaram interação física da blenda de PVA e PVP, juntamente da formação um reticulado polimérico interpenetrante. 1. INTRODUÇÃO As embalagens contendo Indicadores de Tempo-Temperatura são consideradas embalagens inteligentes pois utilizam um sistema que monitora as condições do alimento em tempo real. Elas informam os consumidores sobre as condições de transporte e armazenamento desses produtos, estabelecendo desta maneira os reais parâmetros de qualidade e segurança do alimento antes do seu consumo. Assim, um moderno sistema de segurança que garanta a qualidade de um produto pode evitar a contaminação através do monitoramento, fixação e controle de parâmetros críticos como a temperatura, durante o ciclo de vida de um produto alimentício. Esses sistemas incluem a fase de pósprocessamento e se estendem até o período de utilização pelo consumidor. Por isso, o controle e registro das condições de temperatura durante a distribuição e armazenagem são de extrema importância (KIM et al., 212). Os indicadores ou integradores de tempo e temperatura (ITTs) são definidos como dispositivos simples, eficazes e de fácil manuseio para monitorar, gravar e, de forma acumulativa, indicar a influência global do histórico de temperatura sobre a qualidade do produto alimentício, desde a fabricação até o consumidor final (GIANNAKOUROU et al., 25). Indicadores de Tempo e Temperatura têm sido aplicados principalmente para estabelecer o tempo de exposição à temperatura de produtos alimentícios refrigerados e congelados, tais como produtos de pescado e frutos do mar,
produtos hortícolas, carnes e produtos lácteos (MEHAUDEN et al., 27; VAIKOUS et al., 29). Portanto, considerando que os principais sensores empregados em embalagens de alimentos são aqueles que informam variações na temperatura durante o tempo de prateleira desses produtos, têm-se deste modo, a relevância do presente trabalho, que se refere ao desenvolvimento e caracterização térmica, espectroscópica e determinação do índice de intumescimento (li%) de um sensor indicador de tempo-temperatura para constituir uma embalagem inteligente, sendo este sensor baseado em uma blenda polimérica de PVA e PVP dopada com antocianinas e reticulado com EDC. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Preparo dos Hidrogéis O hidrogel de PVA foi preparado pela dissolução de 1 g de pó do polímero, (SIGMA- ALDRICH Art. No. 363146) 99+% de Grau de Hidrólise (GH), em 1 ml de água destilada, sob agitação magnética à temperatura de 8 ± 2ºC até completa dissolução. O hidrogel de PVP (SIGMA- ALDRICH Art. No. 93-39-8) foi preparado através da dissolução de 1 g do pó do polímero em 1 ml de água destilada, sob agitação magnética em temperatura de 9±2 C. Após a dissolução, os hidrogéis foram submetidos a filtração em papel analítico. 2.2. Extração das Antocianinas do Repolho Roxo (Brassica oleracea var capitata) A extração das antocianinas foi realizada de acordo com Fuleki e Francis (1968) em que 15, g de repolho roxo foram triturados e em seguida, adicionaram-se 8 ml de solvente extrator (Etanol- Água (7:3)), sendo o ph do meio ajustado para 2, com HCl (1 mol/l). Posteriormente o material ficou em repouso por 24 horas a 5ºC, ao abrigo da luz. Após esse período, o material foi prensado manualmente em filtro de tecido, com a finalidade de reter o resíduo do repolho, e o extrato foi transferido para balão volumétrico de 1, ml, tendo seu volume completado com o solvente extrator. O conteúdo do balão foi centrifugado a 2 rpm por 1 minutos. O sobrenadante foi filtrado em papel Whatman nº 1 resultando para obtenção do extrato de antocianinas. Por fim, o ph do extrato foi corrigido para 7 antes da adição na blenda polimérica. 2.3. Desenvolvimento do ITT (indicadores ou integradores de tempo e temperatura) A razão PVA:PVP definida para produção final do ITT foi determinada a partir de testes em diferentes proporções de hidrogéis: 8:2; 7:3 e 5:5 (v/v) de PVA e PVP, respectivamente. O volume do extrato de antocianinas foi definido em 1% do volume total da mistura com posterior adição de 5 ml de EDC (1 molar). Os resultados prévios das propriedades térmicas e espectroscópicas indicaram a proporção de 7:3 (v/v) como sendo a ideal para a aplicação na forma de sensor indicador em embalagens para alimentos. Assim o ITT foi produzido a partir de 4 ml da blenda de PVA e PVP e adicionado de antocianinas, com reticulação por EDC, formando o hidrogel de ITT. Posteriormente o
hidrogel de ITT foi vertido em placa de petri de poliestireno cristal (9 mm de diâmetro) e submetido a secagem por casting (35 C com circulação de ar) até a formação do filme de ITT. O ITT produzido foi caracterizado e comparado a filmes puros de PVP e PVA a 1% (m/v). 2.4. Caracterização do ITT 2.4.1. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) As medidas de ATR (Refletância Total Atenuada) foram feitas com um espectrômetro FT-IR, Agilent modelo Carry 66 com um acessório de refletância total atenuada horizontal (ZnSe). As amostras foram colocadas diretamente sobre o cristal e a média de 6 varreduras no intervalo 4 a 65 cm -1 e resolução de 4 cm -1 foi feita para cada amostra. As medidas das amostras foram divididas pelo Background de ar, isto é, sem nada sobre o cristal. 2.4.2 Análise Termogravimétrica As propriedades térmicas foram determinadas através do equipamento Netzsch STA 449F3, operando no modo de análise Termogravimétrica (TG) e de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC). As análises foram conduzidas no Laboratório de Controle de Processos (LCP) do Departamento de Engenharia Química da UFSC. Para análise as amostras foram alocadas em cadinho de α-alumina, utilizando uma faixa de 8 a 1 mg de filme. As condições estabelecidas foram de temperatura inicial de 2 C e final 8 C; a taxa de aquecimento foi fixada em 5 C. min -1 ; e o fluxo de gás inerte (N2) estabelecido em 45 ml. min -1. 2.4.2 Índice de Intumescimento (Ii%) Para a determinação do Índice de Intumescimento (taxa de absorção de água), inicialmente o ITT foi cortado em peças com 4, cm 2 de área, em triplicata, e as peças foram mantidas em dessecador com sílica por 7 dias. Após esse procedimento, as peças foram pesadas e em seguida imersas em água destilada a intervalos de tempo de,5 min, 1 min, 3 min, 5 min, 7 min, 1 min e 15 min à temperatura ambiente (25ºC). A cada intervalo de tempo as peças eram retiradas, secas e pesadas, conforme metodologia descrita por Cavalvanti et al., (22). O cálculo do índice de intumescimento (Ii%) foi realizado utilizado a seguinte equação: MassaFinal MassaInicial li % 1 MassaFinal 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Caracterização Espectroscópica
A Figura 1 apresenta os espectros de absorção na região do infravermelho para os filmes de PVA, PVP, extrato de antocianinas e ITT. No que se refere ao ITT, os grupos carbonila da amida presentes nos meros da cadeia polimérica do PVP apresentam a capacidade de interagir com os grupos hidroxila do PVA através das interações de ligação de hidrogênio, resultando desta forma, na miscibilidade da blenda (LAKSHMINARAYANA; NARASIMHA RAO, 1997). C-C ITT 2% CH C=O CH2 C-N (C-O)-C- Transmitância (%) glicosídico... CH C=C CH Extrato de Antocianina Filme de PVA C-O C-C CH-CH CH-CH 2 2 C-O (C-O)-C- Filme de PVP CH 2 C=O (Amida I) C-N CH 2 C-N C-C 4 35 3 25 2 15 1 Número de onda (cm -1 ) Figura 1 Espectros de Infravermelho dos filmes de PVA, PVP, extrato de antocianinas e ITT. O espectro do filme de PVA (Figura 1) apresenta as bandas de absorção em aproximadamente 3254 cm -1 do estiramento e 181 cm -1 para o grupamento C O, estando de acordo com os trabalhos desenvolvidos por (RAJESWARI et al., 213). Os grupos acetato e hidroxila (entre 165 a 163 cm -1 ) existentes no PVA são relacionados a bandas características do polímero, e podem ser observados pelos espectros de infravermelho. As principais vibrações correspondentes aos grupos químicos do PVA encontram-se descritas na Tabela 1 e estão de acordo com (MANSUR et al., 28). O espectro de FT-IR do PVP apresenta várias bandas características do polímero, e estão descritas na Tabela 1, com destaque ao overtone, constituído da carbonila e da água presente no polímero em 3435 cm -1, bem como o estiramento da carbonila da amida I em aproximadamente 1644 cm -1.
Tabela 1 Números de onda e grupos característicos do PVP e PVA. Material Bandas (cm -1 ) Grupos Químicos Associados 355 32 (3435) C=O; 295 CH 2 PVP 1644 νc=o (Amida I) C-N 146,1435 CH 2 1371, 128 C-N 922 C-C 355 32 (3254) ν()... 2937 287 νc-h 165 163 δo-h PVA 1461 1417 δ(ch) CH 2 125 ν(c-o) 181 ν(c-o)-c- 865 δc-c 937 δch-ch 2 1583 νc=o Considerando o espectro de infravermelho do ITT, necessariamente na região entre 18-15 cm -1, é presumível a detecção da banda de absorção da carbonila do PVP. Já para o espectro de FT-IR do extrato de antocianinas, as bandas entre 28 3 cm -1, com máximo de absorção a 2932 cm -1, correspondem à deformação axial C-H, atribuídos aos grupos metoxilas das substâncias majoritárias do extrato de antocianinas. A banda com máximo de absorção em aproximadamente de 1233 cm -1 pode ser atribuída ao estiramento C-O do anel pirano presente em compostos flavonoides. As vibrações de estiramento C=C do anel aromático das antocianinas podem ser observadas no pico de absorção em 1623 cm -1, já as deformações angulares C-O dos fenóis podem ser vistas em 138 cm -1 (PEREIRA; DE ARRUDA; STEFANI, 214). Portanto considerando o espectro do ITT em comparação com o do extrato de antocianinas, pode-se observar alterações nas bandas, entre 15 e 16 cm -1 partindo tanto do espectro de PVA quanto o de PVP. Isso mostra que as antocianinas foram incorporadas na matriz polimérica do ITT, pois a região modificada é típica de bandas pertencentes a anéis aromáticos, havendo também alterações na faixa de 75 a 1 cm -1. 3.2. Caracterização Térmica A Figura 2 apresenta as curvas TG-DSC dos filmes de PVA, PVP e do ITT. A decomposição térmica para a amostra de PVA ocorreu em 4 etapas consecutivas (Tabela 2). A 1ª etapa foi devida à desidratação térmica, apresentando uma endoterma entre 3 e 153ºC. A 2ª, 3ª e 4ª etapas ocorreram entre 338ºC e 8ºC. A curva de DSC do filme de PVA apresenta pico exotérmico em aproximadamente 25ºC, atribuído à desidratação de sua cadeia polimérica e fusão do polímero, confirmado por teste qualitativo, acompanhado da formação subsequente de produtos voláteis. O outro pico exotérmico em 46ºC é decorrente da desidroxilação do PVA (LEWANDOWSKA, 29).
Massa (%) Massa (%) 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 1 8 6 4 2 DSC TG DSC TG Filme de PVA Temperatura (ºC) Filme de PVP 12 1 8 6 4 2 1 8 6 4 2 DSC (mw) DSC (mw) 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperatura (ºC) Massa (%) 1 8 6 4 2 DSC TG Indicador de Tempo-Temperatura (ITT) 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperatura (ºC) Figura 2 Curvas TG-DSC dos filmes de PVA, PVP e ITT. Para o filme de PVP a decomposição térmica ocorreu em 3 etapas consecutivas (Tabela 2), apresentando uma endoterma em aproximadamente 17ºC atribuída à transição vítrea (Tg) do polímero (PRINOS; DOMPROS; PANAYIOTOU, 1998). A curva TG-DSC do indicador de Tempo- Temperatura (Figura 2) apresenta a decomposição térmica ocorrendo em 5 etapas (Tabela 2). A primeira é decorrente da saída da água superficial adsorvida, e a 2ª é atribuída à remoção da água intrínseca de constituição do filme. A 3ª etapa de decomposição térmica do ITT apresentou duas endotermas seguidas, entre 5 e 62 ºC, sendo atribuída à desidroxilação da cadeia polimérica do PVA, bem como da degradação da cadeia polimérica do PVP, abrangendo a desidratação e despolimerização de ambos os polímeros (ZURIAAN; SHOKROLAHI, 24). Portanto a partir da curva DSC dos filmes de PVA e PVP, foi possível observar as características intrínsecas desses compostos quando comparados com a curva DSC do ITT. Elas indicaram interação de ordem física, e não química, no processo de formação do Indicador de Tempo- Temperatura, corroborando os dados obtidos com a espectroscopia de infravermelho. A ação reticulante do EDC no ITT promoveu uma maior resistência à degradação térmica quando comparado aos filmes puros de PVA e PVP (SARANTOPOULOS et al., 25). 16 12 8 4 DSC (mw)
Tabela 2 Temperatura final das etapas de decomposição térmica e porcentagem de perdas de massa para cada etapa dos filmes de PVA, PVP e ITT. Etapas de Decomposição Térmica Massa Amostras 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª Residual ºC % ºC % ºC % ºC % ºC % (%) Filme de PVA 184,3 8,74 348,3 58,6 461,9 22,81 8 4,17 ----- ----- 5,73 Filme de PVP 15,6 16,48 496,5 76,1 8 1,89 ----- ----- ----- ----- 5,53 ITT 133,4 8,42 359,5 4,61 492,2 18,8 634,7 19,45 8, 1,62 11,82 3.3. Índice de Intumescimento Os resultados para o índice de Intumescimento são apresentados na Tabela 3. O valor final encontrado (39,1%) em 15 minutos foi menor que o valor máximo encontrado no período de hidratação; esse comportamento pode ser explicado pelo fato de que as cadeias presas por ligações cruzadas da blenda polimérica formada pelo PVA e PVP, perdem a mobilidade após o período de hidratação, dificultando a entrada de solvente e consequentemente a hidratação do filme. Os ensaios mostraram também que, apesar das alterações registradas, houve um período de equilíbrio da hidratação entre,5 e 5 minutos (29,88 a 41,89%). Tabela 3 Índice de Intumescimento para o indicador de tempo-temperatura. Tempo (min) li% do ITT,5 29,88±2,52 1 38,51±2,38 3 41,23±,84 5 41,89±2,5 7 39,41±1,73 1 39,4±2,11 15 39,1±2,87 O efeito de reticulação da blenda foi efetivo, pois mesmo após o período de hidratação o ITT não absorveu água significativamente entre 1 e 15 minutos. Portanto, a não dissolução imediata do filme em contato com água corrobora o efeito de reticulação da blenda, visto que tanto o filme de PVP quanto o de PVA, quando não reticulados, se dissolvem facilmente em água (GEHRKE, 1999). 4. CONCLUSÃO Em virtude das características espectroscópicas, de degradação térmica e índice de intumescimento, pode ser afirmar que o ITT desenvolvido a partir de blenda polimérica de PVA e PVP, apresenta boas condições de aplicação em embalagens para alimentos, visto que a ligação cruzada (crosslinking) promovida pelo EDC, resultou na formação de um reticulado polimérico interpenetrante, uma vez que o FT-IR, TG-DSC e o Índice de Intumescimento indicam este tipo de reticulação.
5. REFERÊNCIAS CAVALCANTI, O. A. et al. Polysaccharides as excipients for colon-specific coatings. Permeability and swelling properties of casted films. Drug develop and ind. phar, v. 28, p. 157 164, 22. FULEKI, T.; FRANCIS, F. J. Quantitative Methods for Anthocyanins. J. of Food Sci, v. 33, n. 1, p. 72 77, jan. 1968. GEHRKE, S. Synthesis and Properties of Hydrogels Used for Drug Delivery. In: GORDON L. AMIDON, ELIZABETH M. TOPP, AND P. I.. L. (Ed.). Transp. Proc. in Pharm. Syst. 1999. GIANNAKOUROU, M. C. et al. Field evaluation of the application of time temperature integrators for monitoring fish quality in the chill chain. v. 12, p. 323 336, 25. KIM, M. J. et al. Selection of an optimum ph-indicator for developing lactic acid bacteria-based time temperature integrators (TTI ). J. of Food Eng, v. 113, n. 3, p. 471 478, 212. LAKSHMINARAYANA, K.; NARASIMHA RAO, V. V. R. Pyroelectric behaviour of polyvinyl alcohol (PVA) -polyvinyl pyrrolidone (PVP) polymer blend films. Mat. Letters, v. 3, n. January, p. 65 71, 1997. LEWANDOWSKA, K. Miscibility and thermal stability of poly(vinyl alcohol)/chitosan mixtures. Thermoch. Acta, v. 493, n. 1-2, p. 42 48, 29. MANSUR, H. S. et al. FTIR spectroscopy characterization of poly (vinyl alcohol) hydrogel with different hydrolysis degree and chemically crosslinked with glutaraldehyde. Mat. Sci. and Eng C, v. 28, n. 4, p. 539 548, 28. MEHAUDEN, K. et al. A novel method to evaluate the applicability of time temperature integrators to different temperature profiles. Inn. Food Sci. and Emer. Tech, v. 8, p. 57 514, 27. PEREIRA, V. A.; DE ARRUDA, I. N. Q.; STEFANI, R. Active chitosan/pva films with anthocyanins from Brassica oleraceae (Red Cabbage) as Time-Temperature Indicators for application in intelligent food packaging. Food Hyd., 214. PRINOS, A.; DOMPROS, A.; PANAYIOTOU, C. Thermoanalytical and spectroscopic study of poly ( vinyl pyrrolidone )/ poly ( styrene-co-vinyl phenol ) blends. Polymer, v. 39, n. 14, p. 311 316, 1998. RAJESWARI, N. et al. Structural, vibrational, thermal, and electrical properties of PVA/PVP biodegradable polymer blend electrolyte with CH3COONH4. Ionics, v. 19, n. 8, p. 115 1113, 213. SARANTOPOULOS, C. I. G. L. et al. Embalagens pla sticas flexi veis : principais poli meros e avaliac a o de propriedades. 1 a. ed. 25. VAIKOUSI, H.; BILIADERIS, C. G.; KOUTSOUMANIS, K. P. International Journal of Food Microbiology Applicability of a microbial Time Temperature Indicator ( TTI ) for monitoring spoilage of modi fi ed atmosphere packed minced meat. Int. J. of Food Micro, v. 133, n. 3, p. 272 278, 29. ZURIAAN, M..; SHOKROLAHI, F. Thermal studies on natural and modified gums. Poly Test, v. 23, n. 5, p. 575 579, ago. 24.